40.5 kV 氣體絕緣母線溫升控制方法

楊 明，鄒 斌，李學斌

湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢 430035

應用于高海拔地區大型光伏發電工程的氣體絕緣母線（gas insulated busbar，GIB）是中國電建集團水電總院立項并牽頭，西北院設計、湖北裝備公司制造生產、黃河上游公司應用的大型應用型科技項目。GIB 是一種采用SF6 和N2 混合氣體絕緣、外殼與導體同軸布置的大電流電力傳輸設備。由于采用了壓縮氣體作為絕緣介質，設備尺寸和布置間距大大縮小，能在最大程度上減少設備布置所需的空間以及相應的土建工程量。GIB無開斷和滅弧要求，制造相對簡單，其主要特點有：氣體絕緣全封閉結構，不受高海拔自然環境條件影響；載流量大，傳輸能力強，損耗低；安裝簡單，運行維護方便；可靠性高，抗震能力強，使用壽命長。由于GIB 傳輸電流大（2 000～4 000 A），而要使GIB 占用安裝空間更小。零部件的溫度過高可能使材料的物理、化學性能發生變化，導致產品的機械性能和電氣性能下降，最后導致GIB 不能正常運行，影響到整個輸電線路。因此，GIB 產品的散熱和溫升控制是重要的研究內容。

1 理論計算

1.1 熱計算理論

GIB 的外殼和導體都是發熱體，外殼和導體的電阻損耗所產生的熱量使其溫度升高，并向周圍的環境散熱。當發熱量與散熱量相等時，GIB 處于熱穩定狀態，這時外殼和導體溫度不再發生變化，即穩定溫度場。對于GIB 導體而言，其損耗在熱穩定情況下，一部分以輻射方式傳給外殼，另一部分以自然對流方式傳給外殼，三者應滿足第一熱平衡方程［1］：

式（1）中，Pm為單位長度單相導體損耗；QmF為單位長度單相導體輻射散熱量；QmD為單位長度單相導體自然對流散熱量。上面3 個參數單位均為W/m。就外殼而言，它除了本身損耗外，還接收來自導體的熱量以及太陽輻射能量。這些熱量在熱穩定情況下，全部以輻射和自然對流方式傳給環境。由此可建立第二熱平衡方程式［1］：

式（2）中，PK為單位長度單相外殼損耗；Qt為戶外敷設的GIB 受太陽輻射能量；QkF為單位長度單相外殼輻射散熱量；QkD為單位長度單相外殼自然對流散熱量。上述4 個變量單位均為：W/m。

當GIB 的運行條件、敷設方式、截面尺寸、材料、絕緣氣體等條件確定時，式（1）和式（2）中各項都只是導體溫度和外殼溫度的非線性函數，求解可得GIB 的導體平均溫度和外殼平均溫度［1］。

式（3）中，λe為當量導熱系數；θm為導體溫度，單位℃；θk為外殼溫度，單位℃；Rkn為外殼內半徑，單位m；Rmw為導體外半徑，單位m。

式（）中，C0為黑體輻射系數，其值為 （K），Dmw為導體外徑；εe為全組物體的相當黑度。導體外表面黑度，表面光滑鋁一般為0.04～0.06，表面涂無光澤漆一般為0.85～0.9。

式（5）中，αkD為對流換熱系數；Dkw為外殼外徑；θ0為環境空氣溫度；θk為外殼溫度。

式（6）中，b 為輻射修正系數，水平敷設的GIB 中相b=2，邊相b=1；S 為水平敷設的GIB 相間距，單位是m。

式（7）中，E 為太陽輻射通量，單位為W/m2；A 為外殼外表面吸收率，光滑鋁為0.26，淺色油漆位0.12～0.26，深色油漆為0.97～0.99，F 為外殼水平投射面積，單位為m2/m。

1.2 GIB 的熱計算

GIB 設計溫度限值：導體，105 ℃；外殼可觸及部位，70 ℃；外殼不可觸及部位，80 ℃。額定電流：2 500 A；試驗電流：2 750 A；額定電壓：40.5 kV；GIB 相間距：0.5 m；環境溫度：40 ℃；導體外表面黑度：0.29；外殼內表面黑度：0.29；外殼外表面黑度：0.5；A0=2.76e-2、U0=16.96e-6。

按照以上參數進行計算熱計算，確定了GIB導體和外殼尺寸，包括導體外徑、外殼內徑、導體和外殼厚度。

2 GIB 溫升型式試驗

2.1 溫升試驗要求

主回路的溫升試驗應該在裝有清潔的新開關裝置上進行，且如果適用的話，在試驗前充以用作絕緣的合適液體或處于最低功能壓力（密度）的氣體。試驗應在戶內、大體上無空氣流動的環境下進行，受試開關裝置本身發熱引起的氣流除外。進行單相試驗時，外殼中電流應代表最苛刻的條件。對于特備大型的開關設備和控制設備，它們的對地絕緣對溫升沒有明顯的影響，對地絕緣可以顯著地降低［2-3］。

接到主回路的臨時連接線，應該使試驗時與實際運行時的連接相比較，沒有明顯的熱量從開關設備和控制設備散出或向開關設備和控制設備傳入［2-3］。

試驗應該持續足夠長的時間以使溫升達到穩定。如果在1 h 內溫升不超過1 K，可認為達到這一狀態。開關設備和控制設備各部分溫升不應該超過GB/T 11022-2011 高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求中表三的規定值［2-3］。

2.2 GIB 第一次溫升試驗結果

試驗條件為：

試驗電流：2 750 A（武高所規定試驗電流=110%額定電流）

試驗相數：單相

連接排規格：（3×100）mm×10 mm×3 000 mm銅排；試驗設備：TP9032U 多路溫度記錄儀（測量范圍：-100～400 ℃）；

測試參數：各測點溫升。

由表1 可以看出第一次溫升試驗值溫度均超過技術要求，溫升試驗未通過。

表1 第一次溫升試驗結果Tab.1 Results of the first experiment K

3 溫升控制

3.1 影響溫升的因素

GIB 外殼尺寸和導體尺寸是影響溫升的因素之一，為了達到最小體積輸送最大的電流，要求GIB 的尺寸不可能太大，在基于理論計算的前提下，確定了GIB 外殼尺寸和導體尺寸，按照相關尺寸制造出的GIB 產品進行的溫升試驗無法通過。故而，影響溫升的核心因素不是GIB 外殼尺寸和導體尺寸，而是其它原因。

導體的電阻率也是影響溫升的因素之一。目前，鋁導體的電阻率基本不能達到理論值，而且不同廠家生產的鋁導體電阻率也不一樣，不能保證溫升在技術范圍之內［1，4-6］。

同時，裝配環境（包括溫度，濕度，潔凈度等）對整個GIB 產品的溫升試驗也有一定的影響。

根據式（4）可以發現，影響溫升的關鍵因素則在于導體和外殼的表面黑度數據選擇（與金屬材料表面處理方式關系很大）。光滑的鋁合金表面黑度一般不大于0.1，氧化或磨砂處理后為0.2～0.3，表面涂漆［7］后則可達0.8～0.9。表面黑度的取值對熱平衡計算結果影響極大，對GIB 外形尺寸和材料的選擇起關鍵作用。

3.2 降低溫升的方法GIB

結合 熱計算理論，可知導體的輻射系數直接影響導體的散熱，綜合考慮影響溫升的因素，我們采取了在母線導體和外殼外表面涂黑色輻射散熱降溫涂料［7-13］，如圖1 所示，增加導體的輻射系數的方法進行溫升控制。涂料厚度為200 μm，根據相關數據，表面涂漆后導體的黑度可達0.8～0.9。

3.3 GIB 第二次溫升試驗結果

試驗條件為：

試驗電流：2 750 A（110%額定電流）

試驗相數：單相

連接排規格：（3×100）mm×10 mm×3 000 mm銅排

試驗設備：TP9032U 多路溫度記錄儀（測量范圍：-100～400 ℃）

圖1 涂黑色輻射散熱降溫涂料后的GIB 樣機Fig.1 GIB prototype coated with black radiation cooling paint

測試參數：各測點溫升

第二次溫升試驗結果顯示，試驗值溫度均滿足技術要求（見表2），溫升試驗順利通過，并出具了型式試驗報告。

表2 第二次溫升試驗結果（摘自武高所試驗報告）Tab.2 Results of the second Reat rum test（extracted from test report of Wuhan high pressure test institute） K

通過對第一次試驗結果與第二次試驗結果進行對比（見表3），在對GIB 導體和外殼外表面涂黑色輻射散熱降溫涂料，可以顯著降低設備運行時各部位的溫升，有效的控制設備各測點的溫升處于國家標準值以下。

表3 溫升試驗數據對比Tab.3 The contrast of Reat rum test data K

4 結 語

對應用于高海拔地區大型光伏發電工程的GIB 試驗中出現的溫升問題進行了分析和研究，結合GIL、GIS 相關高壓設備的溫升控制經驗，采取在母線導體和外殼外表面涂黑色輻射散熱降溫涂料的方法，增加導體的黑度，進而提高了整個導體的散熱性能，順利通過了溫升試驗。第二次試驗結果表明：在不改變GIB 產品幾何尺寸時，涂黑色輻射散熱降溫涂料，增加導體黑度可以將溫升控制在技術要求內，驗證了增加導體黑度進而可以控制整個溫升的可行性。該試驗只是在試驗狀態下驗證了涂黑色輻射散熱降溫涂料可有效控制溫升?？紤]到產品實際運行時，導體長時間發熱，下一步需對涂覆在導體表面的涂料是否有脫落的可能及其對整個設備穩定運行的影響程度進行研究。對于溫升控制，在不改變GIB 產品占用小空間的前提下，除了增加導體的輻射系數以外，還可以從降低導體電阻率、研制新型合金材料等方面進行研究，尤其是研制具有較低電阻率、良好散熱性能的新型合金材料更具有發展前景。